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Moteur f1 : histoire, critiques et perspectives

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Moteur f1 : histoire, critiques et perspectives
par :
Atome Automobile Club

Suite aux nombreuses critiques émises envers la motorisation actuelle, la Formule 1 prépare l’avenir de son groupe motopropulseur. Nous passons en revue l’histoire du moteur F1 depuis 1989, le moteur V6 hybride de l’actuelle réglementation, et les options possibles pour l’avenir.

Moteur F1

Moteur f1 : v6 turbo hybride

Depuis 2014 et l’arrivée des unités de puissance V6 Turbo hybride, les instances dirigeantes clamaient que le nouveau règlement avait été mal compris par les fans et qu’ils allaient s’y habituer. 3 ans plus tard, ces mêmes instances ont entendu raison et tablent sur un changement de moteur, qui pourrait satisfaire aussi bien les constructeurs que les fans.

La règlementation actuelle étant figée jusqu’en 2020, la FIA ainsi que les divers acteurs de la discipline (écuries, motoristes) commencent à réfléchir sur le futur de la F1 pour 2021.

Photo principale : Moteur F1 Renault en 2014 : V6 turbocompressé hybride (crédits : Renault)

Le moteur f1 de 1989 à aujourd’hui

- Depuis 1989 et l’interdiction des moteurs turbo, jugés trop puissants et dangereux, la règlementation se veut de plus en plus restrictive et monotype. Petit rappel historique des évolutions du moteur F1, en presque 30 ans :

- 1989 : Moteur F1 atmosphérique de 3,5 l, nombre de cylindres libre (en général V8, V10 ou V12). La puissance est d’environ 600ch.

- 1995 : Suite aux accidents mortels de Roland Ratzenberger et Ayrton Senna, baisse de la cylindrée à 3 l pour diminuer la puissance. Les moteurs sont majoritairement des V8 et des V10. Seul Ferrari utilise encore un V12. La puissance passe d’environ 800ch à 700ch.

- 1996 : Ferrari abandonne son historique V12 jugé trop lourd et trop gourmand pour un V10 qui équipe la quasi-totalité du plateau. Il reste quelques V8 mais dont la puissance est trop faible.

- 1998 : Le règlement ne l’impose pas encore, mais tous les moteurs sont des V10.

- 2001 : Le V10 devient obligatoire, et les moteurs F1 dépassent les 800 chevaux.

- 2004 : Pour des raisons de coût et pour limiter la course à la puissance, un seul moteur est autorisé par week-end de grand prix. La puissance est d’environ 900 à 950 chevaux.

- 2005 : Toujours dans la même optique, un moteur F1 doit faire deux grands prix.

- 2006 : Premier gros changement depuis 1989 et toujours afin de réduire les performances des monoplaces, les moteurs doivent obligatoirement être des V8 de 2,4 l à 90°. L’alésage est également limité et l’injection directe d’essence interdite. La perte est d’environ 200 chevaux soit 750 chevaux de puissance. Pour des raisons de coût, l’écurie Toro Rosso est autorisée à utiliser un ancien V10 de 3 l bridé.

- 2007 : Limitation du régime moteur à 19000 trs/min et gel du développement de certains éléments.

- 2009 : Le régime du moteur F1 est limité à 18000 trs/min, et chaque écurie n’a droit qu’à huit propulseurs par monoplace et par saison. Le système KERS permet au pilote de disposer de 80 chevaux supplémentaires pendant 6,4 secondes à chaque tour.

Photo 1 : Moteur F1 Lamborghini V12 710 chevaux de 1991 (Musée Lamborghini, Sant'Agata Bolognese)
Photo 2 : Moteur F1 BMW Sauber P84-F1, V10 3,0l de 2004 (BMW)
Photo 3 : Moteur F1 BMW Sauber P86-F1, V8 2,4l de 2006 (BMW)

Le moteur f1 actuellement utilisé dans les monoplaces : le v6 turbo hybride

LA SITUATION ACTUELLE DU MOTEUR F1 V6 TURBO HYBRIDE

Pour comprendre la situation actuelle, il convient de s’attarder sur les caractéristiques du moteur F1, pourquoi ils ont été créés ainsi que les critiques qui ont été formulées. Depuis 2014, l’unité de puissance (ou « power unit » appelé ainsi car il ne s’agit pas d’un simple moteur à combustion) est un V6 turbocompressé d’une cylindrée de 1,6 l, ouvert à 90°, limité à 15000 trs/min et à injection directe. Les contraintes sont élevés pour les motoristes car le débit de consommation d’essence est limité à 100 kg de carburant par heure et la capacité du réservoir est fixée à un maximum de 105 kg (100 kg de 2014 à 2016) soit environ 140 litres. Rappelons que les ravitaillements en essence durant la course sont interdits depuis 2010 et que les monoplaces doivent effectuer la totalité du grand prix avec l’essence embarquée.

Le moteur thermique est secondé par 2 moteurs électriques. Le premier est appelé MGU-K et a le même rôle que le précédent KERS utilisé en 2009 et de 2011 à 2013 avec les V8 : récupérer l’énergie cinétique sur les roues arrière lors du freinage. Pour faire simple, une grosse dynamo joue le rôle de frein et crée de l’électricité. Le second moteur est appelé MGU-H, son utilisation permet de récupérer de l’énergie dans le pot d’échappement : une partie de la chaleur des gaz d’échappement est transformée en électricité.

L’énergie récupérée par le MGU-K est stockée dans une batterie puis restituée aux roues arrière pendant la phase d’accélération suivant la cartographie qui est choisie par les ingénieurs. Celle accumulée via le MGU-H est utilisée à la fois pour un apport de puissance supplémentaire aux roues arrières (comme le MGU-K) et pour entraîner le turbo et ainsi éviter le fameux « lag » (le temps de réponse) à bas régime. L’objectif est d’assouplir l’utilisation du moteur, et, par extension, de gagner du temps à chaque tour en réaccélérant plus fort et plus tôt. La puissance générée par les moteurs électriques ne peut être supérieure à 160 chevaux alors que celle du moteur thermique est libre. On estime que lors de son introduction en 2014, les moteurs thermiques développaient environ 600 ch (soit 760 ch au total). La course à la puissance étant effrénée, les meilleurs moteurs thermiques approchent désormais les 800 ch et la puissance totale approche les 1000 ch.

Photo : Les différents éléments d’un moteur F1 en 2014 (crédits : Renault)

Les objectifs de la réglementation moteur f1 actuelle

La raison d’être de ces moteurs est avant tout la réduction de consommation en carburant et le besoin pour les constructeurs d’être en phase avec les voitures de séries qui prennent le chemin de l’hybridation. Mercedes en a fait une condition sine qua non de son retour en Formule 1, et Renault laissait entendre son retrait si ces conditions étaient retirées de la réglementation des moteurs F1.

De ce point de vue, l’objectif a été pleinement atteint car les moteurs ont un rendement exceptionnel, développant 900 chevaux pour une consommation record de seulement 100 kg de carburant pendant la course. A titre de comparaison, les anciens moteurs F1 V8 consommaient environ 150 kg d’essence par course et affichaient une puissance d’environ 750 chevaux, soit environ 150 ch de moins.

Moteur f1 v6 turbo hybride : les critiques

Mais le tableau est loin d’être idyllique. En premier lieu, le son proposé par ces moteurs a choqué nombre de fans. Bercés par le hurlement strident des moteurs atmosphériques durant 25 ans, certains ont découvert durant les essais à Jerez en 2014 une sonorité étouffée et sans mélodie rapidement qualifiée de « bruit d’aspirateur ». En cause, les gaz d’échappement étouffés non seulement par le turbo, mais également par le MGU-H. Si on pouvait s’attendre à un son fort et rauque comme dans les années 80, ère bénie des turbocompresseurs, le récupérateur d’énergie à l’échappement s’est également chargé de récupérer le son ! Egalement en cause, le régime du moteur F1. Si ce dernier est limité à 15000 trs/min (contre 18000 trs/min en 2013), la limite de débit de carburant est insuffisante pour aller aussi haut dans les tours et les pilotes changent de rapport vers 12000trs/min (certains arrivent à dépasser les 13000trs/min en bout de ligne droite). L’ensemble de ces éléments a contribué à un son de piètre qualité qui, aujourd’hui encore, fait enrager les (nombreux) nostalgiques sur les réseaux sociaux.

Autre critique formulée contre ces moteurs, la complexité. Faire fonctionner ces unités de puissance et déclencher l’énergie au moment opportun est très compliqué. La compétition entre les motoristes fait également rage pour trouver le maximum de puissance, avec le minimum de consommation tout en conservant une certaine fiabilité. Si un constructeur comme Mercedes a su négocier parfaitement le virage de l’ère hybride, en démarrant les essais sur le banc avec un monocylindre en 2010, ce fut plus compliqué pour d’autres comme Renault. Et plus encore pour Honda, arrivé avec un an de retard en 2015 et qui enchaîne les problèmes de fiabilité malgré une puissance largement inférieure à ses concurrents. Cette complexité a eu pour effet une explosion du prix des moteurs. De 8 à 10 millions d’euros par an en 2013 pour une écurie, ils sont passés à environ 20 millions d’euros par an dès 2014 ! La FIA, consciente du doublement des coûts de développement, plafonne le prix des moteurs à 12 millions d’euros pour la saison 2018. Cependant, il ne fait nul doute que l’augmentation des budgets de développement du moteur F1 a eu raison des petites écuries comme Caterham et Manor/Marussia.

La troisième critique sur ces groupes propulseurs concerne le poids. En effet, depuis l’introduction du premier KERS en 2009, les monoplaces ont vu leur masse augmenter de 605 kg à 728 kg, soit 123 kg de plus ! Une partie de cet embonpoint supplémentaire, environ 26 kg, est due à l’augmentation des dimensions des monoplaces et la nouvelle taille des pneus (saison 2017). Il est pourtant bon de rappeler que la course au poids est importante à ce niveau de compétition : 10 kg de plus sur la monoplace représentent environ 3,5 dixièmes de seconde perdus au tour, en fonction du type de circuit et du centre de gravité du poids additionnel. Les pilotes se sont souvent plaints du plaisir moindre engendré par cette masse plus élevée.

Enfin, la dernière critique concerne le pilotage. Si le « lift and coast » (technique consistant à relâcher l’accélérateur avant le freinage pour économiser de l’essence) et le respect de passage de vitesse par des « bips » sonores dans l’oreillette en 2014 ne sont plus qu’un lointain souvenir, les pilotes restent limités pour pousser leur machine. En effet, ceux-ci ont l’obligation de faire un tour de « recharge de batterie » afin d’avoir la puissance maximale en qualification. Cela empêche donc d’avoir 2 tours rapides d’affilée lors des séances chronométrées. En course également, la gestion du carburant est devenue prioritaire et les pilotes sont souvent sur la retenue pour espérer finir chaque grand prix de Formule 1.

Si, au départ, ces critiques étaient quelque peu ignorées de la part des instances, arguant que les fans s’étaient historiquement toujours plaints des changements, les différents acteurs se sont vite aperçus que l’impact marketing de ces moteurs F1 n’était pas positif. Les fans ne les aiment pas tandis l’image de la discipline n’en est pas devenue plus écologique pour autant. Cette fois, les instances ont su entendre raison et envisagent des changements pour l’avenir.

Revue des différentes possibilités pour l’avenir du moteur f1…

LA SOLUTION SIMPLE POUR UN MOTEUR F1 : LE V6 TURBO HYBRIDE SANS MGU-H

L’hypothèse la plus sérieuse concernant le futur des moteurs en F1 est finalement la plus simple. Partant du principe que le récupérateur d’énergie à l’échappement (le MGU-H) est un des principaux coupable de la piètre qualité du son et qu’il est source de nombreux problèmes pour le fonctionnement du moteur, la solution serait tout simplement de le supprimer ! Ainsi, tout en gardant les V6 Turbo de 1,6 l, la sonorité à l’échappement se rapprocherait de celle connue dans les années 80 et les soucis de fiabilité et de coût seraient moins nombreux.

Le but étant également d’avoir des moteurs très puissants (entre 1000 et 1200 chevaux), il est envisagé de libérer le débit de carburant afin de pouvoir augmenter la puissance et le régime moteur d’environ 3000 tr/min, afin d’améliorer le bruit. De plus, la suppression du MGU-H pourrait également économiser un peu de poids. Toutefois, le MGU-H sert à faire tourner le turbo en permanence et réduit à néant le temps de réponse de ce dernier, les motoristes risquent d’avoir de gros problèmes de « lag » si ce dernier est supprimé. D’autant que dans le plan présenté par la FIA, il n’est pour l’instant pas envisagé de passer à deux turbos, qui seraient plus petits et fonctionneraient à plus bas régime. Pour compenser, il est également prévu que le MGU-K soit à l’avenir plus gros et plus puissant, et que le pilote l’actionne manuellement, à l’instar de ce qui se faisaient durant l’ère des V8. Néanmoins, à l’époque, le KERS ne fonctionnait que sur 6,4 secondes alors que les systèmes hybrides fonctionnent désormais tout le temps. Quel serait l’intérêt d’une action manuelle ? Il faudrait envisager qu’une partie de la puissance soit permanente, tandis que l’autre partie serait manuelle, afin de pouvoir varier les stratégies dans les dépassements. Enfin, de nombreuses pièces seraient standardisées comme les dimensions et poids des turbos ou encore des batteries et systèmes de contrôle unique pour tous les moteurs.

Un temps évoqué, la récupération de l’énergie aux roues avant et transmises soit aux roues arrières pour limiter le poids, soit aux roues avant pour bénéficier de 4 roues motrices, ne semble plus au programme.

Un retour possible vers le moteur f1 atmosphérique ?

Nombre de fans réclament sans cesse au retour des moteurs « atmosféériques », se remémorant avec nostalgie l’exceptionnelle mélodie d’un V12 Ferrari de 1995, le hurlement strident d’un V10 BMW de 2004 ou encore le cri aigu d’un V8 Cosworth de 2006, les fans sont également soutenus par nombre de pilotes en activité. Ainsi, on a vu dernièrement une conférence de presse assez cocasse où Vettel, Hamilton et Alonso réclamaient en cœur le retour des V12. Max Verstappen, de son côté, a récemment déclaré son envie de revenir aux V10.

Ces moteurs ont beaucoup d’avantages : ils sont simples, moins coûteux et nettement plus léger que les moteurs F1 hybrides. De plus, avec une cylindrée supérieure à 3 l, il est aisé de développer plus de 1000ch. L’ajout d’un système KERS peut également être envisagé, à l’instar des saisons 2011 à 2013, mais en développant un moteur F1 plus puissant. En revanche, les moteurs atmosphériques ont un rendement consommation/puissance nettement inférieur aux moteurs turbo. C’est pour cela qu’il paraît peu probable qu’ils fassent leur retour. Ils sont décalés de la production automobile actuelle. Hormis quelques hypercar (LaFerrari, Porsche 918 ou Lamborghini Aventador), rares sont les voitures de route faisant encore usage de l’aspiration naturelle pour ses moteurs.

Un moteur f1 turbo sans hybride… la solution idéale ?

Un compromis entre l’hybride et l’atmosphérique pourrait être un moteur turbocompressé sans hybride à l’instar de ce qui se fait en Indycar. De grands acteurs de la F1 comme Ferrari, Mclaren et Mercedes utilisent dans leurs modèles routiers des V8 bi-turbo sans système de récupération d’énergie. De fait, l’utilisation d’un V8 d’environ 2 l de cylindrée avec deux turbos et tournant à environ 15000 tr/min permettrait de dépasser sans problème les 1000 chevaux. Utilisant pour la plupart cette technologie sur la route, il serait aisé pour les constructeurs de transposer leurs innovations de la monoplace de circuit à la voiture de Monsieur et Madame Tout-le-Monde, ce qui serait un grand avantage en termes de développement et de marketing. Ce moteur F1 serait également assez simple à concevoir, pour un coût raisonnable. Enfin, la sonorité qu’un V8 bi-turbo tournant à 15000 trs/min pourrait être assez intéressante pour satisfaire les fans.

Si l’on ne sait pas encore de quoi sera fait l’avenir de la Formule 1, on peut se réjouir de voir les instances inviter le maximum d’acteurs majeurs de ce sport mécanique (dont Audi) autour de la table afin d’en discuter. Certains points sont déjà à l’ordre du jour, comme le retour vers un meilleur son, l’accès à plus de puissance (les limitations et années 80, 90 et 2000 semblent loin…), ou encore plus de simplicité, un coût de développement plus faible et la possibilité aux pilotes d’attaquer du début à la fin de la course. D’autres sujets, comme le retour ou non des ravitaillements n’ont pas encore été évoqués dans la réflexion sur l’évolution future du moteur F1.

L’expérience de ce qui s’est passé en endurance, où les constructeurs d’usine ont imposé leur loi pendant plusieurs années puis sont partis en laissant un champ de ruines, doit faire réfléchir les instances. L’ACO et le WEC ont pris le taureau par les cornes en favorisant les teams privés, car eux représentent la base du sport auto.

Il faut espérer que la FIA ainsi que Liberty Media (les propriétaires de la F1) par l’intermédiaire de Ross Brawn sauront prendre les bonne décisions pour satisfaire à la fois les fans, les pilotes et les constructeurs.

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